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Schiffsantrieb mit mindestens einem über ein Untersetzungsgetriebe
auf die Propellerwelle arbeitenden Verbrennungsmotor Die Erfindung bezieht sich
auf einen Schiffsantrieb mit mindestens einem über ein mechanisches, in der Betrieblichen
Verbindung zwischen Motor und Propeller nach rückwärts verlegtes Untersetzungsgetriebe
auf eine gemeinsame Propellerwelle arbeitenden, mindestens sieben Zylinder aufweisenden
Verbrennungsmotor und einer das Untersetzungsgetriebe mit dem Motor Betrieblich
verbindenden, ein elastisches Zwischenglied darstellenden Welle.
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Bei Schiffsantrieben mit einem oder mehreren über ein Getriebe auf
eine Propellerwelle arbeitenden Motoren mit mehr als sechs Zylindern gelingt es
selbst bei stärkster Verminderung der Massen und der Elastizitäten nicht mehr, die
der Zylinderzahl entsprechende Hauptkritische II. Grades über der Höchstbetriebsdrehzahl
zu halten.
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Kritische Gebiete im normalen Manövrierbereich zwischen der größten
und der kleinsten Betriebsdrehzahl bedeuten eine Gefahr für die Kurbelwelle und
für das Getriebe und müssen deshalb gesperrt und nach Möglichkeit vermieden werden.
Die Gefahr ist um so größer, je näher die Hauptkritische an der normalen Betriebsdrehzahl
liegt, was bei Motoren mit sieben oder acht Zylindern gewöhnlich der Fall ist.
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I. Bekannte Antriebe x. Es sind bereits verschiedene Schiffsantriebe
bekannt, bei denen kritische Drehzahlen, insbesondere
die kritische
Drehzahl II. Grades von der Ordnung der Zylinderzahl (»Hauptkritische« II. Grades)
aus dem Bereich der Betriebsdrehzahlen des Motors herausverlegt sind und bei denen
das durch Verlegung von Massen um einen einer ganz bestimmten Bedingung entsprechenden
Betrag erzielt ist.
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a) Bei einem ersten bekannten Antrieb mit einer Sechszylindermaschine
und ohne Übersetzungsgetriebe ist ein Schwungrad auf der Propellerwelle selbst so
weit rückwärts verlegt, daß die innerhalb des Betriebsdrehzahlbereichs liegende
kritische Drehzahl II. Grades 6. Ordnung (nkrit II/6, bei einer Sechszylindermaschine
zugleich »Hauptkritische« II. Grades) mit der höher liegenden kritischen Drehzahl
I. Grades 3. Ordnung (nkrit I/3) zusammenfällt.
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b) Bei einem zweiten bekannten Antrieb ohne Untersetzungsgetriebe
ist das Schwungrad ebenfalls auf der Propellerwelle selbst mit einem Schwingüngsknotenpunkt
der Propellerwelle elastisch, nämlich über ein Hohlwellenstück, verbunden, und es
ist das Produkt aus der reduzierten Schwungradmasse und der elastischen Länge Schwungrad-Knotenpunkt
gleich dem Produkt aus der reduzierten Motormasse und der zugehörigen elastischen
Länge bis zum Knotenpunkt und ferner gleich dem Produkt aus der reduzierten Propellermasse
und der hierzu gehörigen elastischen Länge bis zum Knotenpunkt. Auch hierdurch sollen
kritische Drehzahlen zweier aufeinanderfolgender Grade, insbesondere nkrit II/6
mit nkrit I/6 zusammengelegt und die Hauptkritische I. Grades, im Beispiel nkrit
I/6, so hoch wie möglich gelegt werden.
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2. Weiter sind Schiffsantriebe bekannt, bei denen aus irgendeinem
anderen, die Frage der kritischen Drehzahlen nicht berücksichtigenden Grund ein
Antriebsteil, etwa ein Übersetzungsgetriebe, mehr oder weniger weit vom Motor weg
nach hinten verlegt ist.
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a) Bei einem ersten bekannten derartigen Antrieb ohne Übersetzungsgetriebe
ist in der Nähe des Propellers oder unmittelbar vor ihm eine Schwungmasse über ein
als elastisches Glied wirkendes Hohlwellenstück mit einer in weiten Grenzen beliebigen
Stelle der Welle verbunden, so daß bei erzwungenen Schwingungen des Systems Motor-Schwungmasse
an der Verbindungsstelle ein Knotenpunkt entsteht. Damit sollen eine gleichförmige
Drehbewegung und Schwingungsdämpfung erzielt werden.
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b) Bei einem zweiten bekannten derartigen Schiffsantrieb mit Zahnradübersetzungsgetriebe
ist das Getriebe so weit nach rückwärts verlegt, daß die beiden über das Getriebe
miteinander in Verbindung stehenden Systeme, nämlich das treibende und das getriebene
System, gleiche Eigenfrequenz haben. Das Zahnradgetriebe soll dadurch besonders
geschont werden.
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c) Bei einem dritten bekannten derartigen Antrieb mit acht auf eine
gemeinsame Propellerwelle arbeitenden Motoren ist ein Flüssigkeitsgetriebe zwischen
zwei Zahnradgetriebe einerseits und den Propeller andererseits eingeschaltet, durch
das Torsionsschwingungen ausgeglichen werden sollen, d) Bei einer vierten bekannten
derartigen Bauart eines Schiffsantriebs ist ein Übersetzungsgetriebe insofern im
Züge der Wellenleitung vom Motor weg nach hinten verlegt, als eine elastische Welle
von II m wirksamer Länge, die aus einem ersten massiven Teil und einem darauf aufgeschobenen,
hohlen, am freien Ende mit dem massiven Teil verbundenen zweiten Teil besteht, zwischen
Motor und Getriebe geschaltet ist. Durch dieses lange elastische Zwischenglied soll
das Zahnradübersetzungsgetriebe besonders geschont werden.
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e) Bei einem fünften bekannten derartigen Antrieb mittels mehrerer
auf mehrere Propeller arbeitender Turbinen schließlich ist das Getriebe vom Motor
weg nach hinten verlegt, um jeweils einige Vorgelegewellen in einem gemeinsamen
Wellentunnel unterbringen zu können, hinter dem dann die jeweiligen Getriebe angeordnet
sind. Es soll hierdurch der Laderaum des Schiffes vorteilhaft gestaltet werden.
Die Frage der kritischen Drehzahlen ist bei der Rückwärtsverlegung der Getriebe
außer Betracht gelassen. II. Erfindungsgemäßer Antrieb Im Gegensatz zu den erwähnten
Antrieben liegt die Erfindung darin, daß das Untersetzungsgetriebe in der vom Motor
zum Propeller geführten Wellenleitung so weit nach hinten verlegt ist, daß der vorderste
Knoten der dreiknotigen Schwingungsform (Schwingungsform III. Grades) in der Mitte
der Länge des Antriebsmotors liegt. Während bei dem unter I., I,a) erwähnten Antrieb
die »Hauptkritische« II. Grades (dort war es nkrit31I/6) so weit in den höheren
Drehzahlbereich verlegt war, daß sie mit nkrit I/3 zusammenfiel, wird bei dem neuen
Antrieb die »Hauptkritische« II. Grades in den Bereich niedrigerer Drehzahlen gelegt,
also in einen Bereich, in dem die vom Motor ausgeübten, harmonischen Kräfte (die
Erregung) und somit die gesamte Belastung der Welle wesentlich geringer sind (auf
die Welle einwirkende Drehkräfte [Drehmoment] steigen bekanntlich mit dem Quadrat
der Drehzahl an), so daß dort auch die Schwingungsbeanspruchung der Welle ebenfalls
geringer wird und die Bruchgefahr ausgeschaltet ist.
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Die erwähnten vorteilhaften Wirkungen bei der Verlegung der »Hauptkritischen«
II. Grades in den Bereich niedrigerer Drehzahlen stellen sich aber nur dann ohne
gleichzeitige andere Nachteile ein, wenn, wie erwähnt, der vorderste Knoten der
Schwingungsform III. Grades in die Mitte der Länge des Motors gelegt ist, weil nur
dann die Resultierende der harmonischen Kräfte von der Ordnung der Zylinderzahl
(Hauptordnung) gegen den Wert Null geht oder zu Null wird (die harmonischen Kräfte
der Hauptordnung in der einen Mötorenhälfte entgegengesetzt zu denen der anderen
Motorenhälfte wirken), so daß bei der Abwärtsverlegung der »Hauptkritischen« II.
Grades die dabei in den Betriebsdrehzahlbereich rückende »Hauptkritische« III. Grades
ungefährlich bleibt.
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Bei der unter I., I,b) genannten bekannten Bauart, bei der nach dem
erwähnten Beispiel nkrit II/6 mit nkrit I/6 zusammengelegt, also nkrit I1/6 auch
in niedrigeren Drehzahlbereich gelegt ist, mußte in Kauf genommen werden, daß die
harmonischen Kräfte 6. Ordnung die bei der Verlegung in den Betriebsdrehzahlbereich
rückende kritische Drehzahl III. Grades 6. Ordnung (»Hauptkritische« III. Grades)
gefährlich werden ließen.
Auch bei den übrigen, bekannten, unter
I., 2, a) bis e) erwähnten Schiffsantrieben ist die durch die Erfindung vollzogene,
der genannten Bedingung entsprechende, vorteilhafte Rückwärtsverlegung des Getriebes
oder einer Schwungmasse nicht durchgeführt.
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Schließlich bleibt bei dem erfindungsgemäßen Antrieb auch der anderen
Antrieben mit beliebig rückwärtsverlegtem Schwungrad oder Getriebe anhaftende Vorteil
erhalten, daß die Schwingungsform II. Grades im Bereich des Motors etwa linear und
besonders flach, wie die Rechnung ergibt, fast parallel zur Nullinie verläuft, so
daß die Resultierenden der harmonischen Kräfte der Nebenordnungen, also der Kräfte
von Ordnungen, die nicht der Zylinderzahl entsprechen, im wesentlichen verschwinden
und demzufolge besonders die kritischen Drehzahlen II. Grades nicht gefährlich werden
können.
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Durch die elastische Zwischenwelle läßt sich die »Hauptkritische«
II. Grades noch tiefer legen. Gleichzeitig wird an Gewicht gespart. Im Gegensatz
dazu mußte z. B. bei der unter I., I, a) erwähnten, bekannten Bauart eine besonders
starke Welle (dort war es die Propellerwelle selbst, auf der eine Schwungmasse nach
rückwärts verlegt war) verwendet werden, weil dort die »Hauptkritische« II. Grades
in einen höheren Drehzahlbereich gelegt wurde; das läßt sich bei Rückwärtsverlegung
des Schwungrades nur erzielen, wenn die Elastizität der Welle gering gehalten, also
eine besonders starke Welle benutzt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung
schematisch dargestellt. Fig. I zeigt einen Achtzylinderverbrennungsmotor I, der
über eine verhältnismäßig lange, dünne Zwischenwelle 2 ein Ritzel 3 mit einem leichten
Schwungrad Io antreibt. Vom Ritzel 3 wird ein Drehzahlminderungsgetriebe 4 angetrieben,
das mit einem ziemlich langsam laufenden Propeller 5 durch eine entsprechend dicke
Zwischenwelle 6 verbunden ist. Beim üblichen Schiffsantrieb wird das Getriebe an
der Stelle 4', d. h. in der Nähe des Motors I angeordnet.
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Das Getriebe 4 ist in bekannter Weise derart nach der Seite des Propellers
5 verschoben, daß die Elastizität der zwischen Motor I und Getriebe 4 liegenden
hochtourigen Zwischenwelle 2 hinreicht, um die der Zylinderzahlentsprechende kritische
Drehzahl (»Hauptkritische«) der zweiknotigen Torsionsschwingung in den Bereich der
unteren Drehzahlen mit niedriger Belastung und schwacher Erregung herunterzudrücken.
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Um die der Zylinderzahl entsprechende Hauptkritische II. Grades noch
tiefer zu verlegen, können längere Zwischenwellen von Vorteil sein, wobei sich auch
das Gewicht der Wellenleitung um so mehr vermindert, je weiter das Getriebe gegen
den Propeller verschoben wird und je größer der Anteil des hochtourigen Wellenteils
2 ist.
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Fig. 2 zeigt das schematisch wiedergegebene System mit den Massen
m1 bis m8 der acht Arbeitszylinder, der Masse mi des leichten Schwungrades Io, der
Masse nz., des Propellers 5 und der Masse mA des Getriebes q.' in der gewohnten
Stellung A des Getriebes und ma in der Stellung B gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 veranschaulicht die Schwingungsform II. und III. Grades mit
zwei Knoten KI, K2 bzw. drei Knoten K3, K4, K5 für die gewohnte Anordnung A des
Getriebes q.' unmittelbar hinter dem Motor i. Der vordere Schwingungsknoten K1 im
II. Grad liegt nahe am Getriebe q.' und derjenige im III. Grad, K3, etwas vor der
Maschinenmitte. Die kritische Drehzahl II. Grades B. Ordnung (»Hauptkritische« II.
Grades) liegt nur wenig unter der normalen Betriebsdrehzahl.
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Fig. q. gibt die Schwingungsformen für das nach der Erfindung rückwärts
verlegte Getriebe wieder. Die Linie des Il. Grades II B verläuft über die Strecke
des Motors beinahe parallel zur Achse. Der vordere Knoten K,' liegt weit rückwärts
beim Getriebe 3, q., womit die Resultierende der harmonischen Kräfte der Nebenordnungen
praktisch verschwindet. Der vordere Knoten K3' des III. Grades III B fällt ungefähr
in die Mitte der Maschine, so daß sich die harmonischen Kräfte der Hauptordnung
der einen Motorhälfte gegen die der anderen Motorhälfte aufheben und das kritische
Gebiet im III. Grad praktisch ausgeschaltet wird.
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Fig. 5 läßt die Verteilung der kritischen Drehzahlen und ihrer Stärken
über das ganze Drehzahlgebiet von Null bis zur normalen Betriebsdrehzahl N und darüber
hinaus erkennen. Die punktierten Kurven gelten für die bisher übliche Anordnung
A des Getriebes unmittelbar hinter dem Motor, mit der Hauptkritischen II/8A, d.
h. II. Grades/8. Ordnung, hart unter der normalen BetriebsdrehzahlN mit gefährlichen
Schwingungsbeanspruchungen-c.
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Die ausgezogenen Kurven zeigen den Zustand nach der Erfindung mit
dem in die Stellung B verschobenen Getriebe. Die Hauptkritische II. Grades/8. Ordnung,
I1/8 B, ist in den Bereich der niedrigen Drehzahlen verlegt, wo die Belastung und
die erregenden Kräfte und dementsprechend auch dieSchwingungsbeanspruchungen z geringer
sind. Die Hauptkritische III. Grades, 11I/8 B; wurde ebenfalls tiefer verlegt. Das
wäre ein Nachteil, doch sind die zugehörigen zusätzlichen (Schwingungs-)beanspruchungen
v dort unbedeutend, weil der vordere Schwingungsknoten K3 in Maschinenmitte liegt
und die Resultierende der harmonischen Kräfte deshalb auf Null oder auf einen unbedeutenden
Betrag herabgemindert wird.
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Als Beispiel einer Achtzylinderzweitaktmaschine von i5oo PS bei einer
Drehzahl von q.8o U/min ergibt sich für die Zwischenwelle 2 zwischen Motor i und
Getriebe q. eine Länge von 8 m bei dem nach Klassifikationsvorschrift berechneten
Wellendurchmesser von i5o mm, womit die Hauptkritische II. Grades von 38o auf ioo
U/min heruntergesetzt wird (vgl. II/8A und II/8 B, Fig. 5).
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In gleicher oder ähnlicher Weise wirkt sich die Erfindung aus bei
Antrieben mit anderen Zylinderzahlen und in Fällen, wo zwei oder mehrere Motoren
über ein gemeinsames Getriebe arbeiten.